基于FLAC3D的頂板采動(dòng)破壞研究

余升紅

（安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001）

基于FLAC3D的頂板采動(dòng)破壞研究

余升紅

（安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001）

以朱集東礦13-1#煤開采為例，根據(jù)補(bǔ)勘報(bào)告中的力學(xué)參數(shù)和實(shí)際邊界條件用FLAC3D進(jìn)行模擬煤層在開挖過程中上下巖體的運(yùn)移變形和塑形破壞特征；詳細(xì)分析這2個(gè)特征對煤層頂板的破壞規(guī)律影響。結(jié)果表明∶工作面以步距20 m開挖時(shí)，煤層開挖的過程中完整性容易受到剪切破壞，頂板裂隙快速發(fā)育，進(jìn)而發(fā)展為拉伸破壞，最終發(fā)生斷裂、垮落，所以直接頂?shù)目迓錇槔炱茐?，且在局部富水性較強(qiáng)的區(qū)域會(huì)發(fā)生突水。

朱集東礦；FLAC3D；數(shù)值模擬

1 水文地質(zhì)概況

13-1#煤層位于二疊系砂巖裂隙含水層段，二疊系砂巖裂隙含水層是該煤層開采的直接充水含水層。該含水層厚度范圍為0.95 m-31.92 m平均厚度達(dá)到8.18 m，以細(xì)砂巖為主，具垂向裂隙，據(jù)11-1孔抽水試驗(yàn)資料表明13-1煤下消耗量達(dá)9.6m3/h，：水位標(biāo)高3.33 m，q=0.000866 l/ s·m， k=0.0323m/d，水溫18℃，水質(zhì)類型為HCO3·Cl-Ca·Na富水性弱13-1#可采煤層頂板砂巖含水層之間有泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和煤層等隔水巖石分布，阻隔砂巖水之間的水力聯(lián)系。煤系的富水性與砂巖裂隙發(fā)育程度、裂隙開放程度和大小密切相關(guān)，由于區(qū)內(nèi)砂巖裂隙發(fā)育的不均一性，導(dǎo)致砂巖含水性有很大差異。根據(jù)簡易水文地質(zhì)觀測結(jié)果，僅有5個(gè)孔漏水，抽水資料表明區(qū)內(nèi)砂巖裂隙不發(fā)育，富水性弱，為以儲存量為主。雖然砂巖水整體富水性弱，但是在某些采段水壓很大，局部富水性強(qiáng)，所以開采13-1#煤層時(shí)，仍然要關(guān)注頂板砂巖突水的可能.太原組灰?guī)r在本礦井埋藏較深，主要為3#煤時(shí)底板進(jìn)水直接充水含水層（組）與13-1#煤層開采無關(guān)。

2 開挖擾動(dòng)模擬

由于13-1煤層起伏狀態(tài)平緩，傾角小于5°故而構(gòu)造模型為水平狀態(tài)。為了模擬更為真實(shí)，煤層均厚4.12 m，現(xiàn)建立模型大小長×寬×高=250 m×210 m×64 m。本煤層平均埋深在-850 m，以公式（σz=γH）計(jì)算為21.25 MPa，在水平方向上施加由自重力產(chǎn)生的側(cè)向應(yīng)力σx= λ·σy，λ為側(cè)壓系數(shù)。采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，固定左右（x，y）邊界和底部（z=0）邊界，模型上邊界不約束，為自由邊界。模型共有單元格9600個(gè)，節(jié)點(diǎn)112025個(gè)。X方向2端各留60 m，y方向2端各留50 m，分5步開挖，開挖步距20 m，且每步開挖后填充，現(xiàn)取開挖40 m和80 m處分析，新力學(xué)參數(shù)如表1。

表1 新力學(xué)參數(shù)表

3 特征分析

3.1 塑性分析

隨著煤層的不斷開挖，煤層頂板先后出現(xiàn)不同程度的張性破壞和剪性破壞（如圖1）。頂板泥巖的剪切模量很小，煤層開挖的過程中完整性容易受到剪切破壞，頂板裂隙快速發(fā)育，進(jìn)而發(fā)展為拉伸破壞，最終發(fā)生斷裂、垮落，所以直接頂?shù)目迓錇槔炱茐?。在采?0 m處破壞高度在10 m左右，隨著工作面推進(jìn)到80 m，塑性破壞以非連續(xù)性的方式破壞到20 m高度，破壞范圍在采掘工作面的頂部，塑性變化特征與應(yīng)力特征的變化是密不可分的，煤層被開挖后，煤層的直接頂有效應(yīng)力受采動(dòng)影響最大，依次向上逐漸減小，當(dāng)開挖40 m時(shí)，上覆巖體的應(yīng)力分帶稠密，說明應(yīng)力平衡初被打破，梯度變化明顯。當(dāng)開挖到80 m時(shí)，上覆巖體的應(yīng)力分帶稀疏，應(yīng)力平衡被打破后，應(yīng)力從不平衡向新平衡轉(zhuǎn)化。當(dāng)這種采掘打破的原始平衡所展現(xiàn)出來的不可逆變形的煤層頂板塑性變化曲線呈現(xiàn)出橢圓形態(tài)。

3.2 位移分析

隨著煤層的不斷開挖，上覆巖體在重力作用下巖體發(fā)生垂向位移，位移形態(tài)總體為拱形，從圖2中a到b可以看出發(fā)生位移的巖體范圍逐漸擴(kuò)大直至整個(gè)工作面頂部，位移變化逐漸呈現(xiàn)出典型的頂板“上三帶”，即冒落帶，導(dǎo)水裂隙帶，彎曲變形帶，愈是靠近煤層位移變化量級愈大，說明受采動(dòng)影響最強(qiáng)烈，模擬結(jié)果一目了然，發(fā)生位移最大高度超過60 m。根據(jù)巖層的傾角和巖石的抗壓強(qiáng)度選擇“上三帶”最大高度經(jīng)驗(yàn)公式，算得H=61.44 m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度在27m左右，從圖2中看出經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合。

4 結(jié)論

（1）13-1#煤層主要受到二疊系砂巖裂隙水的威脅，雖然該含水層整體富水性弱，也要十分謹(jǐn)慎，以防局部富水性較強(qiáng)，在采掘擾動(dòng)的情況下發(fā)生頂板突水。FLΑC3D得到上覆巖體的塑性變形整體上從下向上依次破壞，位移變形整體上是表現(xiàn)為拱形。（2）現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，使得只要提供的力學(xué)參數(shù)正確，模型正確，所使用計(jì)算方法正確可以真實(shí)的反應(yīng)現(xiàn)實(shí)情況。如經(jīng)驗(yàn)公式獲得的冒落帶高度，導(dǎo)水裂隙帶高度和三帶總高度和FLΑC3D軟件計(jì)算結(jié)果十分接近，可以作為開采該煤層防頂板突水的理論依據(jù)。

［1］張緩緩，劉啟蒙，張丹丹.煤層底板采動(dòng)變形破壞規(guī)律研究［J］.煤炭技術(shù)，2015（07）∶28-30.

［2］陳小飛，白群科.基于FLAC-（3D）的煤層回采覆巖破壞高度數(shù)值模擬研究［J］.山東煤炭科技，2014（05）∶136-138+140.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.19.170

余升紅（1990-），安徽安慶人，在讀研究生，主要從事地質(zhì)構(gòu)造研究。